善用近紅外線探測設計　光達實現汽車應用深度感測

大多數時候，人腦擅長推斷物體的相對深度/距離和大小，這是人類的一種本能，尤其是在駕駛車輛時。但成像系統卻很難做到這一點，尤其是標準圖像感測器是用2D圖像呈現3D場景。在類似於人眼的立體布局中使用兩個圖像感測器，能夠提取深度資料，但測距精度有限，並且會受到環境光線的影響。使用LiDAR獲得深度資料就可以在不依賴光線條件的情況下實施測量，並消除圖像的模糊問題，進而做到場景中區分及理解不同物體。將發射到物體後反射回來的光脈衝與精準定時測量結合，可以計算出物體的距離。

LiDAR在汽車領域的應用十分廣泛，尤其是用於SAE級別為L3~L5的半自動駕駛車輛，例如，感測車輛周圍的物體，或者在高速公路上看到數百公尺外的前方。LiDAR也常用於送貨機器人和其他需要自主感知的應用。

該技術也廣泛應用於在戶外應用情景中，以高精度快速生成可處理的3D深度圖，以往使用傳統測量技術時，此一過程需要耗時數日。例如，農業領域使用LiDAR測量田地或土地，繪製地圖、評估作物狀況，進而使農民能夠建模預測作物產量，以及選擇最合適的農藥/肥料。對於儲存在筒倉中的穀物和儲存在貯存槽中的液體，只需在筒倉/貯存槽頂部安裝LiDAR，即可在不與內容物接觸的情況下立即測量儲量。

環境組織經常使用LiDAR來評估森林砍伐情況、測量海岸侵蝕情況或監測冰川消退情況。此外，在這些應用中，透過在無人駕駛飛行器(UAV)/無人機上安裝LiDAR，研究人員能夠對人跡罕至的偏遠地區進行勘測，而毋需親自前往。

智慧工廠在自動導引車(AGV)上使用LiDAR，運輸原材料進行加工，並將成品運送到發貨區。當智慧工廠中的機器人使用LiDAR時，可以充分發揮LiDAR自身的強大功能，幫助這些機器人精確執行任務，並使它們能夠感測周圍是否有人，進而以周到和安全的方式工作。

LiDAR可用於快速勘測鐵路或高速公路等大型建設項目。LiDAR還可以作為一種安全輔助手段，使某些區域免受不必要或意外的入侵。這對存在危險物質或有大型機器工作的地方意義重大。LiDAR在所有照明條件下都能有效工作，意謂著在這些類型的應用中，它可以提供可靠的永遠線上的保護。

LiDAR的類型

最常見的LiDAR類型是直接飛行時間(dToF)系統，其背後的原理非常簡單：測量光脈衝到達目標並返回感測器所用的時間。光速是一個已知的物理常數，因此計算發射器/探測器和反射目標之間的距離十分簡單(圖1)。

該技術通常使用由光源(最常見的是雷射器)發射的單個非常短的脈衝，發射同時會啟動一個精確的計時器。當光脈衝擊中範圍內的物體時，它將反射回到通常與雷射器並置排列的高靈敏度光感測器。一旦探測到返回脈衝，計時器就停止計時，這時可讀取到達物體並返回所用的時間。

只要知道從發送脈衝到收到回波經過的時間(t)，使用光速常數(c)計算到目標物體的距離(D)就很簡單了。 dToF方法快速有效，可以測量多個回波，因此能夠探測LiDAR視野內的多個物體。它能夠用於遠端和近距離(0.1m~300m)應用，並且在整個範圍內保持穩定的高精度。

另一種LiDAR方法稱為間接飛行時間(iToF)，同樣使用來自雷射的連續光波。這種方法不會直接測量經過的ToF，而是根據已發射和已接收波形之間的相位差來確定ToF。iToF技術更適合相對短的距離測量(<10m)，尤其是光線條件沒有室外那麼具有挑戰性的室內應用，室外的對比度通常要高得多。該技術只能探測到最強的回波，因此只能探測單個物體。

第三種LiDAR是調頻連續波(FMCW)，適合近距離和遠距測距。該技術用可調諧雷射器來產生連續光波，所產生的光波將在探測器處與反射光混合。這種混合可在本地波形和反射波形之間產生拍頻，由此計算出物距和方向速度。

雖然FMCW既有出色的測距性能，還能捕獲方向速度資訊，但由於要使用帶有偏振控制的可調諧雷射器，並且依賴短波紅外波長(要求雷射器和探測器使用特殊半導體)，這種LiDAR系統的總體成本大幅增加(圖2)。

波長爭論點

圍繞LiDAR最有爭議的話題之一是使用哪種波長。IR的使用優先於可見光，因為背景IR要少得多，所得訊噪比(SNR)更好，進而使探測返回光變得更加容易。

IR光譜範圍內有多個合適的波長，包括近紅外線(NIR)光譜(850nm/905nm/940nm)和短波紅外(SWIR)光譜(1,350nm/1,550nm)。決定具體使用哪種波長是波長爭論點的關鍵議題。有三個最重要的指標需要考慮，分別是系統的性能、是否有合適的元件和系統的總體成本。

探測器是任何LiDAR系統中最基本的元件之一。CMOS矽基探測器可探測到波長在400nm至1,000nm範圍內的光，因此其對可見光和NIR光敏感，但不能感測SWIR光。為了探測SWIR光，就必須使用InGaAs合金等III/V族半導體，與矽相比，InGaAs合金非常昂貴。

元件可用性是另一個考慮因素，尤其是就雷射發射器而言。邊緣發射雷射器(EEL)正逐漸為垂直腔面發射雷射器(VCSEL)所取代，後者更容易封裝成陣列，並且在整個溫度範圍內波長穩定。雖然VCSEL目前的效能較低，價格也較高，但隨著它們應用範圍的不斷拓展，這種情況有望得到改善。

儘管SWIR EEL有多家供應商，但目前SWIR VCSEL只有一家供應商，而NIR VCSEL也有多家供應商。因此，選擇NIR更有可能提高供應鏈的安全性。

探測範圍很重要，因為這能夠增加可用的反應時間，進而提高安全性。但雷射過強會傷害眼睛，因此IEC 60825規定了1ns雷射脈衝的最大容許照射量(MPE)。

雖然NIR必須具有較低的MPE，但如果脈衝寬度縮短，則可以提高雷射功率，而由於使用靈敏的探測器，可以達到最長300m的測距範圍。在天氣好的時候，SWIR的測距範圍將超過NIR，但是SWIR更容易受到濕氣(如雨或霧)的不利影響，因此基於NIR的系統的性能下降速度將低於SWIR系統，進而可以在各種天氣條件下提供更一致的性能。

基於以上所述，通常認為NIR是汽車LiDAR的首選波長。NIR使得人們可以使用矽基元件，而不是InGaAs等更加昂貴的材料，可能更重要的是，相關元件可以從多個供應商處獲得，有助於建立起更強大的供應鏈。雖然NIR和SWIR在工作時都能夠確保人眼安全，但NIR在使用較低功率雷射的同時，仍然能夠滿足汽車LiDAR的要求。

從商業角度來看，NIR的成本要低得多，而成本一直是汽車應用方面的一個重要考慮因素。根據市場調研機構IHS Markit的一項調查(Amsrud, 2019)顯示，雷射器和探測器的每通道成本約為4至20美元，而對於類似的SWIR系統，每通道成本約為275美元。即使有了進一步發展、容量增加，但預計NIR的成本仍將比SWIR低10~100倍。

LiDAR構成技術

任何LiDAR系統最重要的元件之一是可捕獲和量化反射雷射的感測元件。雖然可以使用多種技術來實現這一點，但矽光電倍增器(SiPM)通常表現最好，這主要是因為它能夠以近似1,000,000數量級的高增益來探測單個光子。

因此，近年來SiPM的應用越來越廣泛，已然成為LiDAR深度感測應用的首選感測器。與雪崩光電二極體(APD)等傳統探測器(不僅增益低得多，還需要對傳入訊號進行積分)相比，這些元件能夠在高對比條件下為長距離測距提供最高的SNR性能。其他優勢包括電源偏置更低、均勻性更好，以及對溫度變化的靈敏度降低等，使得SiPM成為使用APD的系統的理想升級選項。SiPM靈敏度更高，可以使用小封裝光模組，因此使LiDAR更容易整合到車輛中。由於SiPM採用高容量CMOS製程生產，這些高性能元件的探測器成本較低，進一步推動了LiDAR的普及。

有業者如安森美半導體(On Semiconducter)的ArrayRDM-0112A20-QFN是一個具有0.47mm×1.12mmSiPM圖元的1×12單片陣列，基於先進的專有RDM SiPM CMOS製程，專為實現對NIR光的高靈敏度而開發，能夠在905nm波長下使光子探測效率(PDE)達到18.5%。在這個波長下，回應度大於100kA/W。

由於SiPM的內部增益高，靈敏度可降至單光子水準，再加上高PDE，能夠探測出微弱的返回訊號。這使得LiDAR系統可以探測更遠距離的低反射率目標。該陣列採用穩定可靠的10mm×5.2mm QFN封裝，可以瀏覽12個獨立畫素。

該陣列專為汽車LiDAR系統(包括閃光燈、機械或MEMS掃描LiDAR)而設計，是第一個獲得AEC-Q102汽車認證的陣列，並已根據IATF 16949標準進行開發。由於該陣列成本低、性能高，可以實現經濟高效的遠端LiDAR方案，提高汽車的安全性和自主性水準。

光達精準估量場域

LiDAR是一項有著重要意義的技術，因為它的掃描系統能夠快速準確地確定深度，既可以進行單點掃描，也可以繪製物體或大型場地的3D圖。

在規畫LiDAR設計時，關鍵是要決定使用哪種IR光波長。綜合考量性能、是否有合適的元件和商業因素，NIR通常是首選。

在大多數LiDAR實現過程中，雷射光源可能相對簡單，但探測器的選擇對系統性能有很大影響。如安森美半導體的最新SiPM陣列具有出色的探測性能，更重要的是，對於汽車應用來說，它是首款獲得AEC-Q102認證的SiPM探測器。

(本文作者為安森美半導體全球汽車策略和業務拓展副總裁)